CN102356297A

CN102356297A - 用于确定流体的流属性的设备

Info

Publication number: CN102356297A
Application number: CN2010800123035A
Authority: CN
Inventors: J.本戈埃切亚阿佩斯特吉亚; M.卡派; A.范德利; U.韦希曼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2012-02-15
Also published as: WO2010106483A2; EP2409115A2; KR20110133609A; US20120002189A1; WO2010106483A3; JP2012521003A

Abstract

本发明涉及一种用于确定流体（2）的流属性的设备（1）。该设备包括距离和速度确定单元（3），其用于确定流体的元到该距离和速度确定单元（3）的距离并且用于基于自混合干涉信号同时确定元的速度。该设备（1）还包括流确定单元（4），其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体（2）的流属性。这允许确定流属性，即使流体（2）在光学上是厚的。

Description

用于确定流体的流属性的设备

技术领域

本发明涉及用于确定流体的流属性的设备、方法和计算机程序。

背景技术

S. Sudo等人的论文“Detection of small particles in fluid flow using a self-mixing laser”， Optics Express, Vol. 115, Issue 13, pp. 8135-8145公开了一种通过使用具有极高光学灵敏度的激光二极管泵浦的薄片固体激光器的自混合激光多普勒测量来检测流体流中的小颗粒的实时方法。由来自在稀样本流中移动通过小直径玻璃管的小颗粒的重新注入散射光调制的激光输出的不对称功率谱被观察并且显示出反应流体流的速度分布，该速度分布遵从泊肃叶（Poiseuille）定律。流体流的速度分布与该不对称功率谱的依存性被确定并且用于基于测量的不对称功率谱确定流体流的速度分布。

这种方法具有的缺点为只有在流体流具有小的光学厚度时，可以确定流体流。对于更大的光学厚度，无法确定流体流。

发明内容

本发明的目的是提供用于确定流体的流属性的设备、方法和计算机程序，其允许确定更大光学厚度的流体的流属性。

在本发明的一方面中，提供了一种用于确定流体的流属性的设备，其中该设备包括：

- 距离和速度确定单元，其用于确定流体的元到该距离和速度确定单元的距离并且用于同时确定元的速度，该距离和速度确定单元包括具有激光器腔体的激光器，其中该距离和速度确定单元调适为，通过将在激光器腔体内生成的激光辐射引导到流体用于被流体反射并且通过将反射辐射与激光器腔体内的辐射混合而生成自混合干涉信号，并且基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，

- 流确定单元，其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性。

由于流体的元到该距离和速度确定单元的距离以及元的速度同时被确定，所述元所在之处与该距离和速度确定单元的距离以及这些元在这些距离处具有的速度已知。这允许基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性。例如，如果流体的光学厚度小，使得不一定需要元的所确定的距离用于确定期望流属性，例如因为激光辐射可以深深地穿透到流体内使得足以用于确定期望流属性的速度被确定，该流确定单元可以仅仅基于所确定的速度确定流属性。然而，如果光学厚度使得所确定的速度不足以用于确定流属性，例如因为激光辐射无法穿透流体内足够深，该流确定单元可以使用所确定的速度和所确定的距离用于确定流属性。因而，即使光学厚度大，通过使用同时确定的速度和距离而可以确定流属性。

该距离和速度确定单元调适为，通过将在激光器腔体内生成的激光辐射引导到流体用于被流体反射以及通过将反射辐射与激光器腔体内的辐射混合而生成自混合干涉信号。激光器腔体内的这种混合引起激光功率的波动，该波动可以作为自混合干涉信号被检测。这种自混合干涉信号依赖于流体的元的速度和距离，其中该距离和速度确定单元调适为根据所生成的自混合干涉信号确定流体的这些元的距离和速度。

同时确定流体的元的距离和速度是指相同的被元反射的反射辐射被用于确定这个元的距离和速度，即这个元的所确定的距离和速度同时描述这个元的距离和速度。

流体的元为例如流体本身的元和/或添加到流体的元。

流确定单元调适为基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性，这是指距离、速度、或者距离和速度二者被用于确定流体的流属性。

优选的是，该流确定单元调适为确定最大流速度和体积流量（volume flow）的至少其一作为流体的属性。体积流量优先地定义为在预定义时间间隔内流动经过流体的截面的流体体积。因而，体积流量也可以看作是体积流率。

另外优选的是，该距离和速度确定单元调适为：

- 根据该自混合干涉信号确定多普勒频率，

- 确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率，

- 根据所确定的最大多普勒频率确定流体的元的最大流速度，

其中该流确定单元调适为确定该最大流速度作为流属性。这允许容易地且高精确度地确定最大流速度。

另外优选的是，该流确定单元调适为：

- 提供定义最大流速度和体积流量之间的关系的体积流量函数，

- 通过使用该体积流量函数和该最大流速度，确定该体积流量作为流属性。

另外优选的是，该设备还包括流宽度确定单元，其用于根据元的所确定的距离确定流的宽度。

如果激光辐射横穿该流，则在流以外不存在反射或散射元，或者如果流体置于管内，则在管边缘以外不存在反射或散射元，并且因此将不会分别从流之外或管之外返回距离信息。此外，相对于发射的激光辐射的传播方向在流的前方，或者如果流体置于管内，在管的前方不存在流体的散射或反射元，并且因此从该位置将不返回距离信息。因而，通过确定到该距离和速度确定单元的最近距离和最大距离，可以确定流的宽度。这个所确定的宽度可以例如被用于，例如通过将所确定的宽度与流的已知宽度比较，确定激光辐射是否完全穿透该流。

另外优选的是，该流确定单元调适为：

- 提供流模型函数，该流模型函数定义依赖于流体的元到该距离和速度确定单元的距离的元的速度，

- 将该流模型函数拟合到元的所确定的距离和速度，

- 根据所拟合的流模型函数确定流属性。

该流模型优先地为层流流模型，该模型假设最大流速度是在流的中间并且零流量值（flow value）位于流的边缘。

即使仅仅流体的少许元的距离和速度被确定，仍可以执行流模型函数到流体的元的所确定的距离和速度的拟合。因而，即使流体在光学上是厚的，仍可以执行这种拟合。这因此进一步提高了确定具有大光学厚度的流体的流属性的能力。

另外优选的是，该设备还包括：

- 流宽度确定单元，其用于根据元的所确定的距离确定流的宽度，

其中该距离和速度确定单元和该流确定单元调适为使得

a）如果所确定的宽度等于或大于预定义最大速度宽度，该距离和速度确定单元确定该自混合干涉信号的最大频率并且根据所确定的最大频率确定流体的元的最大流速度，并且该流确定单元确定该最大流速度作为流属性，

b）如果所确定的宽度小于预定义最大速度宽度，该流确定单元提供定义依赖于流体的元到该距离和速度确定单元的距离的元的速度的流模型函数，将该流模型函数拟合到元的所确定的距离和速度，并且根据所拟合的流模型函数确定流属性。

该预定义最大速度宽度定义流的宽度，从而允许根据所生成的自混合干涉信号确定最大流速度，其中该流的宽度至少必须由流宽度确定单元确定。流的这个所确定的宽度依赖于流体的光学厚度，即在流体中辐射的穿透深度。因而，通过依赖于流的所确定的宽度确定流体的流属性，流属性的确定依赖于流体的光学厚度。如果光学厚度小，使得激光辐射达到最大速度宽度，则该距离和速度确定单元和该流确定单元调适为，通过根据该自混合干涉信号确定多普勒频率，通过确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率，并且通过根据所确定的最大多普勒频率确定流体的元的最大流速度，确定最大流速度。如果光学厚度大得使得激光辐射无法达到最大速度宽度，该流确定单元提供定义依赖于流体的元到该距离和速度确定单元的距离的元的速度的流模型函数，将该模型函数拟合到元的所确定的距离和速度，并且根据所拟合的流模型函数确定流属性。这允许确定依赖于流体的光学厚度的流体的流属性。

另外优选的是，该流确定单元调适为根据该自混合干涉信号确定流体的流是层流还是湍流作为流属性。确定流体的流是层流还是湍流可以用于控制流体的流，使得该流保持或者变为层流。例如，如果流体被泵浦通过管，泵压力可以被控制使得，如果该流为湍流，泵压力减小使得该流变为层流。这最优化了由于内部摩擦引起的流内的损耗。

优先地，该流确定单元调适为，在自混合干涉信号的频率谱图具有混沌行为时确定该流是湍流，以及其中该流确定单元调适为，在自混合干涉信号的频率谱图不具有混沌行为时确定该流是层流。

在本发明的另一方面中，提供了一种用于确定流体的流属性的方法，其中该方法包括下述步骤：

- 确定流体的元到距离和速度确定单元的距离以及用于同时确定元的速度，其中通过将在激光器腔体内生成的激光辐射引导到流体用于被流体反射而生成自混合干涉信号，其中反射辐射与激光器腔体内的辐射混合，并且其中基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，

- 基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性。

在本发明的又一方面中，提供了一种用于确定流体的流属性的计算机程序，其中该计算机程序包括程序代码装置，其用于在该计算机程序在控制设备的计算机上运行时，致使如权利要求1限定的该设备实施如权利要求10限定的方法的步骤。

应理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将清楚明白并得到阐释。在下述附图中：

图1示意性和示例性示出用于确定流体的流属性的设备的实施例，

图2示意性和示例性示出用于确定流体的流属性的设备的距离和速度确定单元的实施例，

图3示意性和示例性示出依赖于流体流内的归一化位置的归一化速度，

图4示意性和示例性示出依赖于流体流内的归一化速度的元数目，

图5示意性和示例性示出自混合干涉信号的谱图，

图6示意性和示例性示出用于确定流体的流属性的布置，以及

图7示例性示出流程图，该流程图说明用于确定流体的流属性的方法的实施例。

具体实施方式

图1示意性和示例性示出用于确定流体2的流属性的设备1。该设备包括距离和速度确定单元3，其用于确定流体的元到距离和速度确定单元3的距离并且用于同时确定元的速度。距离和速度确定单元3包括具有激光器腔体6的激光器5（示于图2）。距离和速度确定单元3调适为，通过将在激光器腔体6内生成的激光辐射7引导到流体2用于被流体2反射并且通过将反射辐射8与激光器腔体6内的辐射混合，生成自混合干涉信号。距离和速度确定单元3还调适为基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度。

用于确定流体2的流属性的设备1还包括流确定单元4，其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体2的流属性。

在此实施例中，流体2在管10内流动。

泵11仅仅示意性示于图1，该泵11可存在以用于控制管10内流体2的流。泵11可以与流确定单元4连接，从而控制泵11使得获得预定流量值。

距离和速度确定单元3调适为，通过将在激光器腔体6内生成的激光辐射7引导到流体2用于被流体2反射并且通过将反射辐射8与激光器腔体6内的辐射混合，生成自混合干涉信号。激光器腔体6内的这种混合引起激光功率的波动，该波动被示于图2的检测器12检测。检测器12通过检测从激光器腔体6耦出的辐射13的强度而检测激光功率。由检测器12检测到的自混合干涉信号依赖于流体2的元的速度和距离，并且距离和速度确定单元3包括分析单元14，其调适为根据所生成的自混合干涉信号确定流体2的这些元的距离和速度。

该距离和速度确定单元首先确定速度在辐射7方向上的分量，其中通过知晓流方向和辐射7方向之间的角而用三角法确定在流方向上的速度，例如通过将在辐射7方向上的分量乘以此角的余弦。

流确定单元4调适为确定最大流速度和体积流量的至少其一作为流体的属性。体积流量优先地定义为在预定义时间间隔内流动经过流体截面的流体2的体积。因而，体积流量也可以看作是体积流率。

流体2流优先地为层流流（laminar flow），层流流由抛物线速度分布表征。对于管10内液体的层流流，速度在管边界为零并且在管10的中心具有最大值。这示例性且示意性示于图3。

图3示出依赖于管10的归一化半径

的归一化速度。归一化半径0.0表示管10的中心，并且归一化半径-1.0和1.0表示管边界。示于图3的速度分布可以用下述方程表达：

（1），

其中

表示在半径

处流体2的元的速度，其中

表示在管10的中心处的最大速度，并且其中P表示管10的半径。

如果假设在流体2内散射元密度均匀，可以获得在不同速度

处颗粒数目的分布

，如图4示意性和示例性所示。

在图4中可以看出，由于层流流中速度分布图的抛物线性质，大多数元以最大速度行进。此图中的最大速度是由流体元的数目朝向最大速度的急剧增大来表征。在某一速度的测量的自混合干涉信号的强度与在此速度的流体元的数目成比例。对于光学薄流体，最大速度点将由自混合干涉信号中的强峰来标记。

优先地通过在管面积上对方程（1）中定义的速度分布图积分来确定体积流量

。这得到下述方程：

（2）。

在一实施例中，距离和速度确定单元3，具体而言分析单元14调适为根据自混合干涉信号确定多普勒频率。优先地，距离和速度确定单元3使用下述方程用于根据多普勒频率确定速度：

（3），

其中

表示多普勒频率，

表示沿着图1中的激光束7方向的速度分量，并且表示未扰动的激光器5的波长。来自在流体2内流动的元的反馈在激光器腔体6内部生成具有此多普勒频率的变化的干涉信号，该干涉信号为自混合干涉信号。因此，由检测器12检测到的激光输出功率以一频率被调制，从该频率可以导出流体内散射元的速度。因而，通过使用方程（3），基于所确定的多普勒频率可以确定流体2的元的速度。

在一实施例中，距离和速度确定单元3，具体而言分析单元14调适为确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率，并且通过使用方程（3）根据所确定的最大多普勒频率，确定流体2的元的最大流速度。在此实施例中，流确定单元4调适为确定最大流速度为流属性。再者，流确定单元4优先地调适为通过使用所确定的最大流速度和方程（2）确定体积流量。

对于透明流体，单位为任意单位的自混合干涉信号的谱图的实例示于图5。在此实例中，调制设备15不调制激光器5的频率，即所示谱图也是多普勒频率的谱图。优先地通过在自混合干涉信号的多个单独功率谱上求平均而获得该谱图。在示于图5的实例中，该频率谱图具有清晰的峰并且在观察到的频率迅速衰减之后，最大频率是在大约0.22MHz。优先地，放大器被用于测量自混合干涉信号。这种放大器的使用会在自混合干涉信号的谱图中引入伪像，其例如为在图5中可以看出的在DC处的峰。

优先地，如果激光器5的辐射7可以达到具有最大流速度的流体的元，具体而言，如果激光器5的辐射7可以达到管10的中心，则该流体被视为透明的。

为了确定依赖于最大流速度的体积流量，流确定单元4优先地包括体积流量函数，该体积流量函数定义最大流速度和体积流量之间的关系。该函数优先地由方程（2）定义。流确定单元4优先地调适为，通过使用体积流量函数和最大流速度，确定体积流量作为流属性。

设备1还包括流宽度确定单元9，其用于根据元的所确定的距离确定流的宽度。如果激光辐射7横穿该流，该流之外不存在反射或散射元，具体而言，在管10的边缘之外不存在反射或散射元，并且因此将不从管10之外返回距离信息。此外，相对于发射的激光辐射7的传播方向，在管前方不存在流体2的散射或反射元，并且因此将不从该位置返回距离信息。

因而，通过确定到距离和速度确定单元3，具体而言到距离和速度确定单元3的激光器5的最近距离和最大距离，可以确定流的宽度。例如通过将所确定的宽度与流体2的已知宽度比较，这个所确定的宽度可以例如用于确定激光辐射7是否完全穿透流体2。在此实施例中，通过将所确定的宽度与管10的宽度比较，可以确定激光辐射7是否完全穿透流体2。

此外，所确定的流的宽度可以用于确定管10的直径，该直径对于确定速度分布图是至关重要的，并且该直径在可用时使得校准是多余的。此外，所确定的流的宽度可以被用作控制参数以确保所研究的流体是足够透明的，使得从管10的整个截面获得散射功率。

距离和速度确定单元3和流确定4优先地调适为使用频率调制技术用于确定流体2的元的距离。为此，距离和速度确定单元3优先地包括调制设备15，其用于调制激光器5的频率。调制设备15优先地为电流驱动单元，其优先地施加三角形调制在激光器驱动电流上。如果激光器5为半导体激光器，如同在此优选实施例这样，这种电流调制引起发射的辐射7的波长中的相应调制。结果，当改变注入电流I时，每增加与从激光器5到流体2相应元的往返长度适配的波长，辐射的相位增加360°。每个360°相位旋转造成发射的辐射7的功率中的一个最小值和一个最大值。这些“波动”的数目

与波长变动

的函数可以由下述方程定义：

（4），

其中d表示从激光器到相应流体元的长度。

波长减小具有与散射元远离激光器5移动相似的效应，而波长增大则模仿散射元朝向激光器5移动。如果使用对激光器电流的三角形调制，波长将周期性减小和增大，从而模仿周期性地远离和朝向激光器5移动。由检测器12测量的功率，即从激光器腔体6耦出的辐射13的强度，在时间上按此三角形调制的频率变化，但是现在在该频率上叠加了频率为

的波动，该频率

可以通过使用下述方程来确定：

（5）。

中的下标表示散射元不移动，即散射元不具有在辐射7方向上的速度分量。这种情况下，在三角形调制的上升段和下降段期间，波动频率是相同的。考虑移动的元，该频率另外改变了多普勒频率。当元移动离开时，在波长减小期间多普勒频率将加到

，而当波长增大时从

减去多普勒频率。这可以由下述方程表达：

（6）以及

（7）。

在方程（6）中，

表示在三角形调制的上升段自混合干涉信号的频率，并且

表示在三角形调制的下降段自混合干涉信号的频率。

通过根据下述方程计算频率：

（8）

并且利用所计算的频率

通过使用方程（5），可以确定元到距离和速度确定单元3，具体而言到激光器5的距离。

通过根据下述方程计算

：

（9）

并且利用所计算的频率

通过使用方程（1），可以确定沿着辐射7方向的元的速度。

由于例如通过上述方程（1）至（7）已知流体的单个元的距离和速度与自混合干涉信号的频率的依存性，则例如通过将流体的元的贡献，即距离和速度的贡献线性地结合到自混合干涉信号的频率谱图，也已知流体的若干元的距离和速度与自混合干涉信号的相应频率谱图的依存性。这种已知的依存性优先地被用于根据自混合干涉信号的频率谱图确定距离分布和速度分布。例如，知晓上述已知的自混合干涉信号谱图与距离和速度分布的依存性，可以执行类似蒙特-卡罗模拟的模拟，其中利用不同距离和速度分布模拟自混合干涉信号的不同谱图，直到就比如相关性或平方差之和的相似性度量而言，自混合干涉信号的模拟的谱图与测量的谱图是相似的。还可以使用拟合过程，其中距离分布和速度分布被确定，使得通过使用上述已知的自混合干涉信号的谱图与距离和速度分布的依存性确定的自混合干涉信号的谱图被拟合到自混合干涉信号的测量的谱图。还有可能通过使用上述已知依存性，根据自混合干涉信号的测量的谱图解析地计算距离和速度分布。

为了执行上述模拟过程或者上述拟合过程，自混合干涉信号的谱图与距离和速度分布的依存性可以看作一模型。除了将流体的单个元的速度和距离的贡献结合到，具体而言线性地结合到自混合干涉信号的谱图，这个模型可以包含在指定速度对流体元的密度的考虑和/或对在流体内的衰减的考虑。下面进一步将更详细描述这些附加考虑。

如果假设不调制电流，谱图具有形状

，则如果电流被调制，谱图在向上侧翼可以用

表示并且在向下侧翼用

表示，其中a为比例常数并且d为相应元到距离和速度确定单元3，具体而言到激光器5的距离。散射颗粒生成的频率是由到激光器的距离连同由于电流调制和颗粒速度引起的激光器频率变化来确定。距离和速度确定单元3优先地调适为如上所述通过模拟、拟合或解析计算从两个谱图

和

提取距离信息和速度信息。

在下文中参考图6将更详细描述确定流体中的元的距离和速度的实施例。

图6仅仅示出距离和速度确定单元3的激光器5。激光器5的辐射7横穿透镜16，使得辐射7在传播通过管10时被聚焦在流体内部。该透镜具有最优化来自流体的自混合信号的功能。

激光器5及其光学元件16置于管10外部。距离l ₀为从激光器5，具体而言从激光器腔体的耦出激光器镜到管10的中心的长度。字母r描述从管10的中心沿着辐射7方向的相应元17的位置。流速度沿着管10的中心通常较高，并且在壁处在R _max减小到零。管10含有流体2，该流体具有散射元17。

假设流体具有层流流，其中使用一种校正来校正不垂直于管表面的入射角，由方程（1）给出流体2的速度与在管10中的位置的函数。

（10）。

如果流体2对于辐射7不是完全透明的，来自管10中深度r的背散射光的数量由下述给出

（11），

其中表示光在流体2中的衰减系数。

在下文中假设元17的密度在管长度上恒定，即在流方向上恒定，并且自混合干涉信号强度与距离r以及与管长度的依存性也恒定。这优先地是指透镜16的聚焦作用相当弱，即大的焦点深度。

在深度r处的元将散射光，使得其速度沿着辐射7方向的其投影分量产生背散射光中如方程（3）中定义的多普勒频率偏移。

如果也应用激光器5的电流的调制，激光器5的波长被调制，这引起背散射光中的附加频率偏移，其可以由下述方程描述：

（12），

其中

表示附加频率偏移并且

表示未扰动的激光器5的波长，并且l ₀为激光器到管的中心的距离。

在位置r处的元17形成功率谱，该功率谱可以由下述方程描述：

（13），

其中S(f)表示功率谱，具体而言由检测器12测量的强度谱图，并且其中g(…)表示自混合干涉信号的响应函数。注意，功率谱不具有负频率。因此考虑所得到的频率的绝对值。多普勒频率偏移和调制频率偏移都依赖于在流体2中的位置。再者，该信号在流体内被衰减。

由检测器12测量的信号可以由下述方程描述，该信号由将光背散射到激光器腔体6内的所有元的贡献组成：

（14）。

通过在位置r上对方程（13）积分，得到方程（14）。

如果使用三角形调制，在向上和向下斜坡期间每次的波长变化是恒定的，只是频率偏移具有相反符号。

距离和速度确定单元3优先地调适为在三角形调制的向上侧翼并且单独地在三角形调制的向下侧翼采集自混合干涉信号。根据这些自混合干涉信号，可以针对向上侧翼计算一功率谱并且可以针对向下侧翼计算一功率谱。优先地，该距离和速度确定单元调适为分别在若干向上侧翼上和若干向下侧翼上求平均，从而提高功率谱的信噪比。

对于向上侧翼，功率谱由下述方程定义：

（15）。

对于向下侧翼，功率谱可以由下述方程定义：

（16）。

通过对响应函数g(…)进行拟设，例如利用在指定速度的流体元的密度通过进行高斯函数的卷积，可以将方程（15）和（16）拟合到针对向上侧翼和向下侧翼由检测器12测量的功率谱。拟合过程含有调适拟设响应函数中的拟合参数。如果拟合参数为最大流速度和，这些参数由此拟合过程确定。最大流速度可以用于例如依据方程（2）确定体积流量。

优先地，距离和速度确定单元3调适为选择调制单元15的调制频率，使得功率谱不通过零频率，因为这会产生在检索速度和距离分布图中的一些不定性。具体而言，调制频率优先地选择为使得多普勒频率和调制频率不具有相同值。这意味着，如果已知多普勒频率只能在某一频率范围内，则调制频率优先地选择为使得其不在此频率范围内。

通过拟合可以将功率谱分离为第一部分和第二部分，该第一部分仅仅依赖于

，

对应于元的速度分布，并且第二部分仅仅依赖于，

对应于元的距离分布。

对于流体在光学上是厚的情形，光将没有足够深地穿透到流体内而达到具有最大速度的元。这种情况下使用最大流速度作为拟合参数不再是有用的。然而，根据向上和向下侧翼的两个谱图，可以确定流体元的相应速度和距离，即位置。谱图的形式由和

给出，其中

仅仅由速度分布给出，并且依赖于l ₀的部分仅仅为流体元的位置的函数。使用拟合过程，可以解开这两种贡献。例如，两个未知参数为吸收系数和最大流速度。吸收和速度分布图对r的依存性已知并且在拟合过程中使用。拟合曲线被最优化，使得它们与向上侧翼和向下侧翼的两个测量的谱图最佳地对应。通过该拟合，速度分布与距离的函数，即速度分布和距离分布同时被获得。

具体而言如方程（1）中定义并且示于图3的流模型函数优先地被拟合到所确定的速度和距离分布，其中根据所拟合的流模型函数可以确定期望流属性。

调制频率优先地选择为使得它不干涉对于自混合干涉信号是令人感兴趣的谱图的部分，即，如已经在上文所述，调制频率优先地选择为使得功率谱不通过零频率。此外，这种调制的幅度应大得使得，在三角形调制的向上或向下部分上的不移动对象的检测中可以发现少许调制周期。

距离和速度确定单元3，具体而言分析单元14优先地分开对在三角形调制的向上和向下部分上获得的功率谱积分。两个侧翼的功率谱优先地具有相同形状，但是分别由于位置依存性

、

的原因，频率轴被不同地缩放。

流确定单元4优先地调适为提供流模型函数，其定义依赖于流体的元到距离和速度确定单元3，具体而言到激光器5的距离的元的速度。流确定单元4优先地还调适为将该流模型函数拟合到元的所确定的距离和速度以及根据所拟合的流模型函数确定流属性。

流模型优先地为层流流模型，该模型假设最大流速度位于流的中间并且零流量值位于流的边缘。这种优选流模型函数示意性和示例性地示于图3。可以执行流模型函数到流体的元的所确定的距离和速度的这种拟合，即使仅仅确定了流体的少许元的距离和速度。因而，即使流体在光学上是厚的。例如如果仅仅可以确定这样的元的距离和速度，这些元具有到距离和速度确定单元3的距离，该距离对应于介于-1.0和-0.5的归一化半径，则该流模型函数可以被拟合到这些元的距离和速度，并且基于所拟合的流模型函数例如可以确定最大流速度并且因而也可以确定体积流量。

在一实施例中，距离和速度确定单元3和流确定单元4调适为使得

a）如果所确定的宽度等于或大于预定义最大速度宽度，距离和速度确定单元3确定自混合干涉信号的最大频率并且根据所确定的最大频率确定流体的元的最大流速度，并且流确定单元4确定该最大流速度作为流属性，

预定义最大速度宽度定义流的宽度，从而允许根据所生成的自混合干涉信号确定最大流速度，其中该流的宽度至少必须由流宽度确定单元9确定。这个所确定的流的宽度依赖于流体2的光学厚度，即在流体2中辐射7的穿透深度。因而，通过确定依赖于所确定的流的宽度的流体2的流属性，流属性的确定依赖于流体2的光学厚度。如果光学厚度小，使得激光辐射7达到最大速度宽度，则距离和速度确定单元3与流确定单元4调适为，通过根据自混合干涉信号确定多普勒频率，通过确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率，并且通过根据所确定的最大多普勒频率确定流体2的元的最大流速度，确定最大流速度。如果光学厚度大得使得激光辐射7无法达到最大速度宽度，则流确定单元4提供定义依赖于流体2的元到距离和速度确定单元3的距离的元的速度的流模型函数，将该模型函数拟合到元的所确定的距离和速度，并且根据所拟合的流模型函数确定流属性。这允许确定依赖于流体2的光学厚度的流体2的流属性。

另外优选的是，流确定单元4调适为，根据自混合干涉信号确定流体2的流是层流还是湍流作为流属性。优先地，流确定单元4调适为，在自混合干涉信号的频率谱图具有混沌行为时确定该流是湍流，以及在自混合干涉信号的频率谱图不具有混沌行为时，具体而言在自混合干涉信号的频率谱图具有完善（well-established）的形状时确定该流是层流。流确定单元4耦合到泵11，使得在流确定单元4确定流体2的流是湍流时，泵11被控制使得流体2的流变为层流。因而，设备1可以被调适使得，通过使用包括距离和速度确定单元3、流确定单元4和泵11的控制环路，获得和/或维持管10内的流体2的层流流。

在下文中，将参考示于图7的流程图描述用于确定流体的流属性的方法。

在步骤101，距离和速度确定单元3确定流体2的元17到距离和速度确定单元3的距离，并且同时确定元17的速度。通过将在激光器腔体6内生成的激光辐射7引导到流体2用于被流体2反射，生成自混合干涉信号。反射辐射8与激光器腔体6内的辐射混合，并且基于所生成的自混合干涉信号确定流体2中元17的距离和速度。

在步骤102，流属性确定单元4基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性。优先地，基于元17的所确定的距离和所确定的速度，该流属性确定单元确定最大流速度和体积流量。

流的精确测量在许多不同应用中是重要且关键的任务，所述应用涵盖了从例如化学或食品加工的工业工艺，到类似例如汽车引擎的机器，直至比如血液输入或注入的医学应用。在大多数情形下，由于所使用的液体或气体的不同性质，不同应用需要不同解决方案来精确确定通过某个管的液体或气体的量（体积流量），该解决方案涵盖机械流量计，涵盖热检测器，直至涵盖超声装置。相比之下，依据本发明的用于确定流体的流属性的设备能够精确测量显著不同性质的介质中的流速度。传感器，即该距离和速度确定单元，是基于激光器5的激光器腔体6中的自混合干涉，该激光器优先地为半导体激光器。依据本发明的用于确定流体的流属性的设备能够确定对激光辐射7具有强衰减的介质中以及透明介质中的流速度和体积流量。

依据本发明的用于确定流体的流属性的设备可以在非常多的应用，具体而言在上述各应用中使用。

如上文已经描述，使用激光器腔体6内部的激光和外部反馈之间的干涉用于生成自混合干涉信号。激光自混合干涉的原理允许非接触的速度和距离测量。如果激光器5瞄向散射元17，小部分的散射光反射到激光器腔体6内，在那里它与强激光场混合。当元17的移动具有沿着激光束7方向的分量时，反射光的相位相对于原始激光连续地偏移，从而导致激光器腔体6中的反馈按照等于多普勒频率的频率而周期性变动。这在上文中被更详细地解释并且也在通过引用结合于此的论文“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”，G. Giuliani, M. Norgia, S. Donati和T. Bosch, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4, 283–294, 2002中解释。

用于确定流体的流属性的设备使用基于自混合干涉原理的激光传感器来优先地测量液体或气体的层流流，而不依赖于介质的性质。该设备可以用于测量透明以及散射或吸收介质的流。该设备通过将散射元的速度分布的测量与散射元的距离分布的测量结合而实现这一点。对于具有大的衰减系数的介质，即流体，辐射7将不穿透流体2够深而达到最大速度的区域。因此，无法直接确定最大速度。为了解决这个问题，该设备确定位置分布，例如流体2内散射元17的距离分布连同这些元17的速度分布。这给出在流体2中辐射7的穿透深度以及测量的自混合干涉信号中的最大速度的位置，即辐射从其被背散射的元17的速度的最大速度的位置。通过使用流模型函数，具体而言通过使用示于图3的流模型函数，通过将该流模型函数拟合到最大的所获得的速度和相应位置，可以将这个最大的所获得的速度和相应位置用于确定该流中的整体最大速度。

应指出，相同设备，具体而言相同激光传感器被用于确定元的速度和距离。

激光器5优先地为半导体激光器，具体而言为垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

尽管在上述实施例中已经描述了用于确定自混合干涉信号的某种配置，在其它实施例中可以使用用于确定自混合干涉信号的其它配置。

尽管在上述实施例中确定在管中的流体的流属性，在其它实施例中可以确定不在管中流动的流体的流属性。例如，可以由依据本发明的设备确定自由地或者在不同于管的通道或腔体中流动的流体的流属性。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和达成对所公开实施例的其它变动。

在权利要求中，词语"包括"不排除其它元或步骤，并且不定冠词"一"或"一个"不排除多个。

单个单元或装置可以完成在权利要求中列出的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中提到某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

由一个或若干单元或装置执行的计算和/或确定，比如确定流体中的元的距离和速度或者比如确定最大流速度或体积流量，可以由任何其它数目的单元或装置执行。所述计算和/或确定和/或依据用于确定流体的流属性的上述方法对用于确定流体的流属性的设备的控制可以被实施为计算机程序和/或专用硬件的程序代码装置。

计算机程序可以存储/发布在与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分被供应的合适介质上，诸如光学存储介质或固体介质，但是也可以在其它形式中发布，诸如经由互联网或者其它有线或无线的远距离通信系统。

权利要求中的任何附图标记不应解读为限制范围。

Claims

1.一种用于确定流体（2）的流属性的设备（1），该设备包括：

- 距离和速度确定单元（3），其用于确定流体（2）的元（17）到该距离和速度确定单元（3）的距离并且用于同时确定元（17）的速度，该距离和速度确定单元（3）包括具有激光器腔体（6）的激光器（5），其中该距离和速度确定单元（3）调适为，通过将在激光器腔体（6）内生成的激光辐射（7）引导到流体（2）用于被流体（2）反射并且通过将反射辐射（8）与激光器腔体（6）内的辐射混合而生成自混合干涉信号，并且基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，

- 流确定单元（4），其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体（2）的流属性。

2.如权利要求1限定的设备，其中该流确定单元（4）调适为确定最大流速度和体积流量的至少其一作为流体（2）的属性。

3.如权利要求1限定的设备，其中该距离和速度确定单元（3）调适为：

- 根据该自混合干涉信号确定多普勒频率，

- 确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率，

- 根据所确定的最大多普勒频率确定流体（2）的元（17）的最大流速度，

其中该流确定单元（4）调适为确定该最大流速度作为流属性。

4.如权利要求3限定的设备，其中该流确定单元（4）调适为：

5.如权利要求1限定的设备，其中该设备还包括流宽度确定单元（9），其用于根据元（17）的所确定的距离确定流的宽度。

6.如权利要求1限定的设备，其中该流确定单元（4）调适为：

- 提供流模型函数，该流模型函数定义依赖于流体（2）的元（17）到该距离和速度确定单元（3）的距离的元（17）的速度，

- 将该流模型函数拟合到元（17）的所确定的距离和速度，

- 根据所拟合的流模型函数确定流属性。

7.如权利要求1限定的设备，其中该设备还包括：

- 流宽度确定单元（9），其用于根据元（17）的所确定的距离确定流的宽度，

其中该距离和速度确定单元（9）和该流确定单元（4）调适为使得

a）如果所确定的宽度等于或大于预定义最大速度宽度，该距离和速度确定单元（3）确定该自混合干涉信号的最大频率并且根据所确定的最大频率确定流体（2）的元（17）的最大流速度，并且该流确定单元（4）确定该最大流速度作为流属性，

b）如果所确定的宽度小于预定义最大速度宽度，该流确定单元（4）提供定义依赖于流体（2）的元（17）到该距离和速度确定单元（3）的距离的元（17）的速度的流模型函数，将该流模型函数拟合到元（17）的所确定的距离和速度，并且根据所拟合的流模型函数确定流属性。

8.如权利要求1限定的设备，其中该流确定单元（4）调适为根据该自混合干涉信号确定流体的流是层流还是湍流作为流属性。

9.如权利要求8限定的设备，其中该流确定单元（4）调适为，在自混合干涉信号的频率谱图具有混沌行为时确定该流是湍流，以及其中该流确定单元（4）调适为，在自混合干涉信号的频率谱图不具有混沌行为时确定该流是层流。

10.一种用于确定流体（2）的流属性的方法，该方法包括下述步骤：

- 确定流体（2）的元（17）到距离和速度确定单元（3）的距离以及用于同时确定元（17）的速度，其中通过将在激光器腔体（6）内生成的激光辐射（7）引导到流体（2）用于被流体（2）反射而生成自混合干涉信号，其中反射辐射（8）与激光器腔体（6）内的辐射混合，并且其中基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，

- 基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体（2）的流属性。

11.一种用于确定流体（2）的流属性的计算机程序，该计算机程序包括程序代码装置，其用于在该计算机程序在控制设备的计算机上运行时，致使如权利要求1限定的该设备实施如权利要求10限定的方法的步骤。